WO2016034374A1 - Verfahren zum prädiktiven betrieb einer brennstoffzelle bzw. eines hochvoltspeichers - Google Patents

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Max Eschenbach
Johannes Schmid
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present application relates to a method for the predictive operation of a fuel cell or a high-voltage storage.
  • Fuel cells for mobile applications such as motor vehicles are known from the prior art.
  • a fuel cell is a
  • hydrogen is used as the fuel and air or oxygen as the oxidizing agent in such a fuel cell.
  • the reaction product of the reaction in the fuel cell is water.
  • the gases are fed into corresponding diffusion electrodes, which are separated by a solid or liquid electrolyte.
  • the electrolyte carries electrically charged particles between the two electrodes.
  • Previous fuel cell systems adapt their desired parameters on the basis of instantaneous values. The fuel cell system is not or not always operated at the optimum operating point.
  • a fuel cell system comprises the at least one fuel cell and the peripheral system components (also called balance-of-plant components or BOP components) which can be used during operation of the at least one fuel cell. These are, for example oxidizing agent, a voltage converter, a coolant pump and / or control valves.
  • a fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated in particular by an ion-selective separator.
  • the anode has a supply for a fuel to the anode. In other words, during operation of the fuel cell system, the anode is in fluid communication with a fuel reservoir.
  • Preferred fuels for the fuel cell system are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas.
  • the cathode has, for example, a supply of oxidizing agent.
  • Preferred oxidizing agents are, for example, air, hydrogen and peroxides.
  • the ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM).
  • PEM proton exchange membrane
  • a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.
  • a system with a fuel cell is often discussed here. If a system component is listed below in the singular, the majority should also be included.
  • a plurality of fuel cells and partially a plurality of BOP components may be provided.
  • the disclosed technology includes a method of predictively operating a fuel cell.
  • the method comprises the step: detecting at least one external parameter P, wherein the at least one external parameter P is a driving behavior information, a navigation information and / or a
  • the at least one external parameter is a parameter that does not correspond to the parameters of the fuel cell or of the fuel cell
  • a driving behavior information is, for example, a
  • a navigation information is, for example, a geoinformation, a route or traffic information.
  • Environment information is, for example, a weather information or information about a specific room.
  • the method may further comprise the step of: predicting at least one potential fuel cell operating parameter P ez pot based on the at least one external parameter P e xt.
  • the derivation is understood as the derivation or calculation or approximation of a future or expected or potential operating parameter P B z ot.
  • a prognosis may also be merely the detection of an input or transmitted future target parameter. For example, a controller may compare experience values for external parameters with the acquired external parameters. Based on the acquired external parameters and the empirical values, the controller can then predict the potential operating parameters. Such a prognosis can be omitted, for example, if the controller is configured in such a way that it can directly determine new setpoint operating parameters taking into account the at least one external parameter.
  • the method may include the step of: adapting the at least one current desired operating parameter P BZ SOII of the fuel cell based on the at least one external parameter P ext.
  • the adaptation further under
  • the method may further include the step of: adjusting the at least one current nominal operating parameter PBZ SOII of the fuel cell based on the potential operating parameters Pezpot-
  • the at least one oil operating parameter P BZ SOII of the fuel cell can be adapted in such a way that potential change of the desired operating parameter P BZ SOII based on the at least one external parameter P ext is counteracted.
  • the operation of the fuel cell is thus anticipated in advance in such a way that impending deterioration of the operating state does not occur.
  • Fuel cell for future operating points or operating states allows more efficient operation with a higher system performance.
  • the change of the at least one soli operating parameter P BZ SOII can be based on the load range and the dynamic demand. In other words, when changing one or more desired operating parameters, i.a. also 1) the current and / or predicted averaged (target) power produced by the
  • Fuel cell or fuel cell system on average, and 2) the current and / or forecast (target) dynamic demand
  • the dynamic request can be described, for example, by the driver's demanded power change per unit time. For example, it is possible to determine how many (and in what amount) load jumps per minute occur.
  • the dynamic demand thus represents the driving style of the driver or is a solo performance change profile of the instantaneous power.
  • the at least one desired operating parameter is preferably a parameter from the group:
  • Nominal fuel partial pressure at the anode and or Target oxidant partial pressure at the cathode.
  • Operating parameters of the fuel cell are in the sense of the technology disclosed here, the operating parameters that are assigned directly to the fuel cell itself. This does not include any operating parameters of the BoP components, such as the level of the coolant tank from the coolant circuit.
  • the manipulated variables for influencing the operating parameters of the fuel cell are known from the prior art. For example, can be through the
  • Coolant circuit regulate the temperature of the fuel cell.
  • the stoichiometry and the pressures at the anode and cathode can be used to control the quantities of fuel and oxidizing agents as well as the moisture content.
  • the concentration of fuel and nitrogen or their partial pressures and the moisture content can be influenced, for example, via the recirculation rate in the anode circuit.
  • the target temperature of the fuel cell comprises the average temperature of the fuel cell or of the fuel cell stack and the actual desired temperature distribution in the fuel cell or in the fuel cell stack, for example, the desired temperature at the input or at the output of
  • Fuel cell or the fuel cell stack are Fuel cell or the fuel cell stack.
  • External parameters representing a navigation information are, for example,.
  • Navigation parameters that include geoinformation, such as position, route and / or elevation profile information.
  • Navigation information is also information about the drive cycle, i. the mix of city, overland and / or motorway part of the total route.
  • Another navigation information is, for example, a longer trip with increased slope (uphill), which can often bring an operation of the fuel cell in the upper load range with it.
  • Navigation information is, for example, also traffic information, such as current or future traffic impairments. For example, current ones count
  • Environmental information is, for example, current or future weather and / or room information, such as. Temperature, humidity, rainfall,
  • a room may be, for example, a place to park, such as the garage.
  • the driving behavior information representing the behavior of the driver is, for example, overtaking frequency; Speed profile in the city, overland, on the, highway; Switching behavior; etc.
  • the controller of the vehicle can recognize the driver on the basis of measured values, driver-specific inputs and / or driver-specific systems.
  • Driver-specific systems are, for example, a key coding or a driver assigned to a mobile phone, which connects to the car.
  • Driver-specific inputs are, for example, the profile selection or the selection of a stored seating position assigned to a driver, clearly assignable driving distance (path to work), mirror adjustment, etc.
  • Another driver recognition device is, for example, a face recognition.
  • the vehicle sensor system or any input elements can be used.
  • the following factors can be taken into account: inclination sensor, driving dynamics,
  • the controller is preferably able to analyze the driving behavior and assign a driver.
  • a driveability analysis may allow to more accurately predict the power requirements and to anticipate the fuel cell.
  • it is a learning capable
  • the controller is also able to analyze recurrent conditions and events, for example on the basis of detected external parameters.
  • the controller is not only able to learn from the driving behavior of the driver, but also can also interpret navigation information and environmental information and perform an optimized forecast of potential operating parameters. For example, the
  • Control configured to optimize fuel cell operation for recurring journeys by a driver based on the lessons learned from the previous journeys.
  • An example of this is, for example, the frequently traveled route between place of residence and place of work.
  • a desired operating parameter P may be the target temperature of the fuel cell and / or the maximum nitrogen partial pressure at the anode. In a predicted operation in the upper load range of the fuel cell, the target temperature and / or the maximum nitrogen partial pressure can be reduced, in particular if only a small cooling capacity can be achieved.
  • a nominal operating parameter P BZ SOII of the fuel cell can be, for example, the desired moisture content of the fuel cell and / or the nominal fuel partial pressure at the anode. For a forecast operation in the upper load range of the
  • Fuel cell, the target moisture content of the fuel cell and / or the target fuel partial pressure at the anode can be increased, especially if only a small cooling performance e can be targeted.
  • An upper load range is, for example, a load range of about 70% to about 100% of the power of the fuel cell or the fuel cell system in continuous operation.
  • An average load range is, for example, a load range of approximately 20% to approximately 70% of the power of the fuel cell or of the fuel cell system in continuous operation.
  • a lower load range is, for example, a load range of about 0% to about 20% of the power of the fuel cell or of the fuel cell system in continuous operation. As a continuous operation here is the resulting
  • the duration of a section of the route e.g., uphill, congestion
  • the duration of a section of the route must be on average.
  • Low cooling capacities are, for example, cooling capacities of about 0% to about 30% of the maximum cooling capacity, the cooling circuit of the fuel cell or the
  • the controller can, for example, change to another operating mode. If the fuel cell is operated, for example, before the ascent in the partial load range, the cooling system can more easily provide a disproportionate amount of cooling capacity. This additional cooling capacity, which is not needed for the instantaneous part-load operation, can be cached due to the heat capacity of the coolant and the components themselves in the cooling system. While During the ascent, this cached cooling power can be successively delivered to the fuel cell. If appropriate, it may also be sensible to pre-cool when the predicted operating temperature of the fuel cell is not in the critical range, but above a certain threshold, eg above 90% of the maximum operating temperature.
  • a certain threshold eg above 90% of the maximum operating temperature.
  • system humidity in the fuel cell can also
  • the controller may, for example, detect too low a moisture content of the
  • Fuel cell forecast In order to prevent the fuel cell from drying out during the upcoming ascent, more moisture can be introduced into the fuel cell even before the start of the ascent.
  • the controller can, for example, change to another operating mode. This additional
  • Moisture can be buffered, for example, in the electrode-membrane unit (MEA). During the ascent, this cached moisture is gradually consumed. Dehydration can be delayed at least. Similarly, prior to an expected full load event (e.g., ascent) nitrogen may be depleted and fuel and oxidant enriched.
  • MEA electrode-membrane unit
  • Fuel cell in particular in that the fuel cell or the
  • Fuel cell system itself acts as a buffer.
  • the method of predictively operating the fuel cell may further provide various modes of operation. At least two operating modes may differ in at least one characteristic curve for a desired operating parameter P. For example, the two operating modes may have different characteristics for the desired operating temperature of the fuel cell.
  • the various modes of operation may be provided for various current and / or predicted load ranges and various current and / or predicted dynamic requests.
  • the operating mode of the fuel cell can be selected, for example, as a function of the current and / or predicted average power to be output by the fuel cell or by the fuel cell system and the current and / or predicted dynamic demand. For example, based on empirical values and / or theoretical considerations, different characteristic curves for the desired operating temperature may be provided:
  • a characteristic for the lower load range at low Dynamic demand and a characteristic for the upper load range and high dynamic demand.
  • the target moisture content of the fuel cell and / or this target fuel partial pressure at the anode can be reduced.
  • the target moisture content of the fuel cell and / or this target fuel partial pressure at the anode can be reduced.
  • Load range of the fuel cell, the target temperature of the fuel cell and / or the maximum nitrogen partial pressure at the anode can be increased.
  • Certain load ranges such as the lower load range at predicted low outside temperatures, may also be avoided altogether, for example by appropriate hybridization, i. by adjusting the ratio of (target) power of the fuel cell or the fuel cell system to (nominal) power of the high-voltage storage.
  • the start-up time or warm-up time is shortened if the moisture content of the fuel cell during the cold or frost start is low.
  • the moisture content can be reduced, for example, by the fact that after switching off the fuel cell or the fuel cell system, the Oxidationsfluideaueinrichtun g (usually a compressor) for a certain period of time continues to operate to extract moisture from the fuel cell. This process is also referred to as caster or blow down.
  • a nominal operating parameter may be the nominal moisture content of the fuel cell.
  • the desired moisture content is preferably reduced shortly before the predicted end of the journey.
  • the controller may initiate a procedure in which prior to
  • the target moisture content of the fuel cell is reduced, in particular if it can be assumed that a frost or cold start will soon follow.
  • the caster can thus be at least reduced or even completely eliminated.
  • the energy consumption can be reduced overall.
  • any noise missions at the place of work for example. In the garage of the owner, reduced.
  • This predictive control becomes a drying requirement after shutdown the vehicle (blow down) reduced and / or avoided. Both the length and the target moisture content can be varied depending on the ambient conditions.
  • the desired moisture content and / or the duration of such a blow-down can be adjusted taking into account the predicted location of the fuel cell and / or the predicted ambient temperature.
  • Room temperature are provided above a critical temperature at which no longer start-up times of the fuel cell occur.
  • the target moisture content must be reduced to allow reasonable start-up times of the fuel cell at the next start.
  • temperatures at a parking place with a charging station (garage) also occur which could be critical for the cold or frost start, then a blowdown during the journey can also be dispensed with if the garage was determined as the predicted location. The blow down can then take place in the parked state of the vehicle when it is at the
  • the disclosed technology also includes a method of operating a
  • the method for operating a motor vehicle can
  • Method for operating the fuel cell include.
  • the method and / or method disclosed here for operating a motor vehicle may further include the step of: adapting at least one desired operating parameter P HV SOII of a high-voltage memory as a function of the at least one external one
  • Parameter P ex t- the recharging of the high-voltage memory in
  • the motor vehicle can not charge the high-voltage battery further from the fuel cell system at a low state of charge. Instead, the high-voltage storage can then be recharged via the charging station.
  • a parking place with charging station e.g., garage
  • the high-voltage storage can then be recharged via the charging station.
  • the control of the motor vehicle may be able to regulate the hybridization of the high-voltage accumulator and fuel cell as a function of the with at least one external parameter P e xt. If, for example, an impending traffic jam is detected as an external parameter, the fuel cell can be switched off and the high-voltage battery operates the electric motor alone.
  • the (hybridization) ratio of performance of the fuel cell or the fuel cell system, which is provided to the drive motor of the motor vehicle to the performance of the high-voltage storage, the Drive motor of the motor vehicle is provided, can be adjusted in dependence on the at least one external parameter P e xt.
  • Fuel cell system adapted to the performance of the high-voltage accumulator depending on the operating mode of the fuel cell. If, for example, a "stop-and-go" traffic situation is predicted, in which the driver generally operates the vehicle in the lower load range with high dynamics, operation may be provided only with the high-voltage battery, for example, even in the event of a traffic jam (ie lower load range; low dynamics), the fuel cell can be switched off.
  • the ratio of target power of the fuel cell to target power of the high-voltage storage depending on the (predicted) location of the
  • Motor vehicle adapted. For example, before reaching a parking place with a charging station (for example a garage), the motor vehicle can supply the drive motor of the vehicle exclusively with energy from the high-voltage accumulator, provided the state of charge of the high-voltage accumulator allows it. Then the
  • High-voltage storage then be recharged via the charging station.
  • the method may further include the step of: reducing consumption and / or switching off at least one energy consumer, in particular one
  • the control of the vehicle as an emergency mode can switch off the secondary consumption r that is not relevant for the driving operation or reduce its consumption. This can advantageously go hand in hand with corresponding information to the driver.
  • the at least one energy consumer is preferably the interior conditioning (interior drying, interior cooling, etc.) of the vehicle.
  • Predicted operation in the upper load range can already be reduced or switched off the interior cooling performance before the operation in the upper load range.
  • more cooling power can then be supplied to the at least one fuel cell, which is then intermediately stored, for example, in the cooling circuit.
  • FIG. 1 schematically shows an overview of different operating modes
  • FIG. 2 shows by way of example a simplified section of a multi-dimensional operating map of a fuel cell.
  • 1 shows various operating modes of a fuel cell as a function of the load range and the dynamic demand on the fuel cell.
  • M100 is an operating mode for a lower load range and a lower load range
  • Dynamic demand as occurs, for example, in city traffic with uniform driving.
  • the driver may also have pre-selected via the driving experience switch a environmentally friendly ECO mode of the motor vehicle in which high dynamic demands are cushioned or prevented by the control system.
  • ECO mode of the motor vehicle in which high dynamic demands are cushioned or prevented by the control system.
  • Temperatures are working more efficiently.
  • the temperature characteristic therefore tends to have higher temperatures than the temperature characteristics of other operating modes. This is possible because strong temperature changes of the fuel cell are not expected due to the low dynamic requirements.
  • the average operating temperature of the fuel cell resulting from permanent operation in the lower load range is sufficiently remote from any temperatures that would be critical to the operation of the fuel cell.
  • the fuel cell is operated in the lower part load range, in which the
  • Nitrogen enrichments are not yet significant. Therefore, it is permissible to allow comparatively high nitrogen levels in this operating mode. In other words, comparatively high maximum nitrogen partial pressure characteristics are provided in the operating mode M100. Thus can be advantageous to the
  • the increased recirculation also has a positive effect on the water balance of the fuel cell.
  • a relatively high moisture content is sought in operating mode M100, in which, however, the formation of liquid water in the fuel cell can still be safely avoided.
  • operating mode M200 the motor vehicle and the fuel cell are continuously operated in the upper load range.
  • a highway ride is assumed.
  • the dynamic request is low in this mode of operation.
  • the vehicle is always kept at a constant speed with cruise control.
  • the operating temperature of the fuel cell is already closer to the maximum in this load range compared to the operating mode M100 Temperature of the fuel cell. Since strong changes in the operating temperature are not to be feared, damage to the fuel cell can also occur in the
  • Nitrogen content in the anode can be comparatively high even in the operating mode M200, which brings the aforementioned advantages.
  • M300 denotes an operating mode in which a high dynamic demand occurs in the lower load range. For example, this occurs in city traffic when the driver puts on a sporty driving style with many load jumps.
  • the fuel cell's water management may be more critical than the other operating parameters.
  • the temperature and nitrogen partial pressure in the anode are usually not critical.
  • the formation of liquid water should be avoided here, for example by a corresponding lambda control, i. the control of the amount of oxidant supplied to actually required amount of oxidant.
  • the operating temperature of the fuel line can be increased, whereby the moisture content decreases.
  • the control M400 changes into the operating mode M400.
  • the upper load range usually high turbospeed rates occur.
  • temperature changes due to load jumps are possible.
  • operating mode M400 therefore comparatively low temperature characteristics are provided.
  • comparatively low maximum nitrogen partial pressure characteristics may be implemented, which may have a positive effect on the performance of the fuel cell.
  • the moisture content characteristic shows in comparison to the corresponding ones
  • the controller should be designed at a predicted
  • Moisture content above a first moisture content threshold value to reduce the temperature and / or the moisture content of the fuel cell. Conversely, the controller should increase the moisture content if it is predicted that the fuel cell will dry out, especially in the M400 operating mode.
  • the operating mode M500 represents an operation with average dynamic demand in the medium load range.
  • the characteristic curves set here are also selected if the operation of the fuel cell is not one of the aforementioned
  • FIG. 2 schematically shows a detail of the course of the temperature characteristic curve for different operating modes via the instantaneous power.
  • the required instantaneous target power which depends for example on the current slope and the accelerator pedal position, from the previously discussed continuous lower, middle and upper load range.
  • a fuel cell operated in the upper load range may for a moment have a mean instantaneous target power, for example when a truck overtakes another truck on the highway.
  • a low temperature characteristic value may be provided in operating mode M400 than in operating mode M500.
  • the operating mode M100 a fuel cell operated in the upper load range

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Abstract

Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzeüe bzw. eines Hochvoltspeichers, mit den Schritten: Erfassen von mindestens einem externen Parameter P ext, wobei der mindestens eine externe Parameter P ext eine Fahrverhalten sinformation, eine Navigationsinformation und/oder eine Umgebungsinformation repräsentiert; und Anpassen des mindestens einen aktuellen Soll-Betriebsparameters P BZ SOII der Brennstoffzelle basierend auf dem mindestens einen externen Parameter P ext.

Description

Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. eines
Hochvoltspeichers
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. eines Hochvoltspeichers.
Brennstoffzellen für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein
elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in
Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert.
Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert elektrisch geladene Teilchen zwischen den beiden Elektroden. Bei solchen Brennstoffzellen tritt das Problem auf, dass das Brennstoffzellensystem ständig wechselnden Bedingungen ausg esetzt ist. Bisherige B rennstoffzellensysteme passen ihre Soll-Parameter anhand von augenblicklichen Werten an. Das Brennstoffzellensystem wird dabei nicht bzw. nicht immer im optimalen Betriebspunkt betrieben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, die vorgenannten Nachteile zu verringern bzw. zu beheben. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der hier offenbarten Technologie umfasst die mindestens eine Brennstoffzelle sowie die peripheren Systemkomponenten (auch Balance-of-Plant Komponenten bzw. BOP-Komponenten genannt), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Diese sind z.B. Oxidationsmittelförderer, ein Spannungswandler, eine Kühlmittelpumpe und/oder Regelventile. Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Mit anderen Worten ist die Anode beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir. Bevorzugte Brennstoffe für das Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidations mittel sind bspw. Luft, Wasserstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Es wird hier vereinfachend oft ein System mit einer Brennstoffzelle diskutiert. Sofern eine Systemkomponente nachstehend in der Einzahl angeführt ist, soll die Mehrzahl ebenfalls mit umfasst sein. Beispielsweise kann eine Mehrzahl an Brennstoffzellen und teilweise eine Mehrzahl an BOP-Komponenten vorgesehen sein .
Die offenbarte Technologie umfasst ein Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst den Schritt: Erfassen von mindestens einem externen Parameter P wobei der mindestens eine externe Parameter P eine Fahrverhaltensinformation, eine Navigationsinformation und/oder eine
Umgebungsinformation repräsentiert. Der mindestens eine externe Parameter ist ein Parameter, der nicht zu den Parametern der Brennstoffzelle bzw. des
Brennstoffzellensystems zählt. Eine Fahrverhaltensinformation ist bspw. eine
Information über das Fahrverhalten des Fahrers. Eine Navigationsinformation ist bspw. eine Geoinformation, ein Routenverlauf oder eine Verkehrsinformation. Eine
Umgebungsinformation ist bspw. eine Wetterinformation oder eine Information über einen bestimmten Raum.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Prognostizieren von mindestens einen potenziellen Bet riebsparameter P ez pot der Brennstoffzelle basierend auf dem mindestens einen externen Parameter P ext. Als Prognostizieren wird hierbei das Herleiten oder Berechnen oder Approximieren eines zukünftigen bzw. erwarteten bzw. potenziellen Betriebsparameters P Bz ot verstanden. Eine Prognose kann auch lediglich das Erfassen eines eingegebenen oder übermittelten zukünftigen Soll-Parameters sein. Beispielsweise kann eine Steuerung Erfahrungswerte für externe Parameter mit den erfassten externen Parametern vergleichen. Basierend auf den erfassten externen Parametern sowie den Erfahrungswerten kann die Steuerung dann den potenziellen Betriebsparameter prognostizieren. Eine solche Prognose kann beispielsweise entfallen, wenn die Steuerung derart konfiguriert ist, dass sie unter Berücksichtigung des mindestens einen externen Parameters direkt neue Soll-Betriebsparameter bestimmen kann. Das Verfahren kann den Schritt umfassen: Anpassen des mindestens einen aktuellen Soll-Betriebsparameters P BZ SOII der Brennstoffzelle basierend auf den mindestens einen externen Parameter P ext. Vorteilhaft kann das Anpassen ferner unter
Berücksichtigung der aktuellen Betriebsparameter erfolgen. Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Anpassen des mindestens einen aktuellen Soll- Betriebsparameters PBZ SOII der Brennstoffzelle basierend auf den auf den potenziellen Betriebsparametern Pez pot-
Der mindestens eine So!l-Betriebsparameter P BZ SOII der Brennstoffzelle kann derart angepasst werden, dass potenzielle Änderung des Soll-Betriebsparameters P BZ SOII basierend auf dem mindestens einen externen Parameter P ext entgegengewirkt wird.
Vorteilhaft wird somit vorausschauend im Vorhinein schon auf den Betrieb der Brennstoffzelle derart eingewirkt, dass bevorstehende Verschlechterungen des Betriebszustandes nicht eintreten. Diese vorschauende Betriebsweise der
Brennstoffzelle für zukünftige Betriebspunkte bzw. Betriebszustände ermöglicht einen effizienteren Betrieb mit einer höheren System-Performance.
Die Änderung des mindestens einen Soli-Betriebsparameters P BZ SOII kann auf dem Lastbereich und der Dynamikanforderung basieren. Mit anderen Worten kann die Steuerung bei der Änderung eines oder mehrerer Soll-Betriebsparameter u.a. auch 1 ) die aktuelle und/oder prognostizierte gemittelte (Soll-) Leistung, die von der
Brennstoffzelle bzw. vom Brennstoffzellensystem im Durchschnitt bereitzustellen ist, und 2) die aktuelle und/oder prognostizierte (Soll-) Dynamikanforderung
berücksichtigen.
Die Dynamikanforderung kann beispielsweise durch die vom Fahrer geforderte Leistungsänderung pro Zeiteinheit beschrieben werden. Beispielsweise kann erfasst werden, wie viele (und in welcher Höhe) Lastsprünge pro Minute auftreten. Die Dynamikanforderung repräsentiert mithin den Fahrstil des Fahrers bzw. ist ein Soli- Leistungs-Änderung sprofil der instantanen Leistung.
Bevorzugt ist der mindestens eine Soll-Betriebsparameter ein Parameter aus der Gruppe:
Soll-Temperatur der Brennstoffzelle;
Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle;
Maximaler Stickstoff-Partialdruck an der Anode;
Soll-Brennstoff-Partialdruck an der Anode; und/oder Soll-Oxidationsmittel-Partialdruck an der Kathode.
Betriebsparameter der Brennstoffzelle sind im Sinne der hier offenbarten Technologie die Betriebsparameter, die direkt der Brennstoffzelle selbst zugeordnet werden. Hierzu zählen nicht etwaige Betriebsparameter der BoP-Komponenten, wie bspw. der Füllstand des Kühlmitteltanks vom Kühlmittelkreislauf.
Die Stellgrößen zur Beeinflussung der Betriebsparameter der Brennstoffzelle sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise lässt sich durch den
Kühlmittelkreislauf die Temperatur der Brennstoffzelle regeln. Über die Stöchiometrie und den Drücken an der Anode und Kathode lassen sich bspw. die Brennstoff- und Oxidationsmittelmengen sowie der Feuchtegehalt regeln. Die Konzentration an Brennstoff und Stickstoff bzw. deren Partialdrücke sowie der Feuchtegehalt lassen sich bspw. über die Rezirkulationsrate im Anodenkreis beeinflussen.
Die Soll-Temperatur der Brennstoffzelle umfasst dabei die mittlere Temperatur der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels sowie die tatsächliche Soll- Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel, beispielsweise auch die Soll-Temperatur am Eingang bzw. am Ausgang der
Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels.
Externe Parameter, die eine Navigationsinfo rmation repräsentieren , sind bspw.
Navigationsparameter, die Geoinformationen umfassen, wie bspw. Positions-, Strecken- und/oder Höhenprofileinformationen. Navigations Informationen sind ferner Informationen über den Fahrzyklus, d.h. der Mix aus Stadt-, Überland- und/oder Autobahnanteil an der Gesamtfahrstrecke. Eine weitere Navigationsinformation ist bspw. eine längere Fahrt mit erhöhter Steigung (Bergfahrt), die oft einen Betrieb der Brennstoffzelle im oberen Lastbereich mit sich bringen kann. Weitere
Navigationsinfo rmationen sind bspw. auch Verkehrsinformationen , wie aktuelle oder zukünftige Verkehrsbeeinträchtigungen. Beispielsweise zählen aktuelle
Staumeldungen oder voraussehbare Verkehrsverdichtungen aufgrund von
Großereignissen, Berufsverkehr, besonderen Vorkommnissen und Events, wie bspw. Massenveranstaltung, etc. zu den Navigationsinformationen.
Umgebungsinformationen sind bspw. aktuelle oder zukünftige Wetter- und/oder Rauminformationen, bspw. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschläge,
Windgeschwindigkeit, Luftdruck, etc. Ein Raum kann beispielsweise ein Abstellungsort, wie beispielsweise die Garage, sein. Die das Verhalten des Fahrers repräsentierenden Fahrverhaltensinformationen sind bspw. Überholhäufigkeit; Geschwindigkeitsprofil in der Stadt, über Land, auf der , Autobahn; Schaltverhalten; etc. Bevorzugt kann die Steuerung des Fahrzeugs anhand von Messwerten, fahrerspezifischen Eingaben und/oder fahrerspezifischen Systemen den Fahrer erkennen. Fahrerspezifische Systeme sind bspw. eine Schlüssel-Codierung oder ein einem Fahrer zugeordnetes Mobiltelefon, welches sich mit dem Auto verbindet. Fahrerspezifische Eingaben sind bspw. die Profilauswahl oder die Auswahl einer abgespeicherten und einem Fahrer zugeordneten Sitzposition, eindeutig zuordenbare Fahrtstrecke (Weg zur Arbeit), Spiegeleinstellung, etc. Eine weitere Fahrererkennungsvorrichtung ist bspw. eine Gesichtserkennung .
Zur Ermittlung des Fahrverhaltens kann insbesondere auch die Fahrzeugsensorik oder etwaige Eingabeelemente herangezogen werden. Beispielsweise können folgende Faktoren berücksichtigt werden: Neigungssensor, Fahrdynamik,
Querbeschleunigungssensor, Erkennung der Pedaldynamik, Erkennung von
Überholmanöver, Fahrerlebnisschalter, Geschwindigkeitsprofil, Stellung der Pumpe für den Kühlermassendurchfluss, Stellung von aerodynamischen Komponenten, wie bspw. Heckspoiler, etc. Die Steuerung ist bevorzugt in der Lage, das Fahrverhalten zu analysieren und einem Fahrer zuzuordnen. Eine Fahrverhalten sanalyse kann es erlauben, genauer den Leistungsbedarf zu prognostizieren und die Brennstoffzelle vorrausschauend zu betreiben . Vorteilhaft handelt es sich um eine lern fähige
Steuerung, bspw. basierend auf Fuzzy Logic. Vorteilhaft ist die Steuerung auch in der Lage, wiederkehrende Bedingungen und E reignisse beispielsweise anhand von erfassten externen Parametern zu analysieren. Bevorzugt ist die Steuerung nicht nur in der Lage, aus dem Fahrverhalten des Fahrers zu lernen, sondern kann überdies auch Navigationsinfo rmationen und Umweltinformationen auswerten und eine optimierte Prognose potenzieller Betriebsparameter durchführen. Beispielsweise ist die
Steuerung derart konfiguriert, dass der Brennstoffzellenbetrieb für wiederkehrende Fahrtstrecken von einem Fahrer optimiert werden, und zwar basierend auf den Erkenntnissen aus den vorherigen Fahrten. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist bspw. die häufig gefahrene Strecke zwischen Wohnort und Arbeitsstätte.
Ein Soll-Betriebspara meter P kann die Soll-Temperatur der Brennstoffzelle und/oder der maximale Stickstoff-Partialdruck an der Anode sein. Bei einem prognostizierten Betrieb im oberen Lastbereich der Brennstoffzelle kann die Soll- Temperatur und/oder der maximale Stickstoff-Partialdruck verringert werden , insbesondere wenn nur eine geringe Kühlleistung erzielt werden kann. Ein Soll-Betriebspara meter P BZ SOII der Brennstoffzelle kann bspw. der Soll- Feuchtegehalt der Brennstoffzelle und/oder der Soll-Brennstoff-Partialdruck an der Anode sein. Bei einem prognostizierten Betrieb im oberen Lastbereich der
Brennstoffzelle kann der Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle und/oder der Soll- Brennstoff-Partialdruck an der Anode erhöht werden, insbesondere wenn nur eine geringe Kühlleistungen e rzielt werden kann.
Ein oberer Last bereich ist bspw. ein Lastbereich von ca. 70 % bis ca. 100 % der Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems im kontinuierlichen Betrieb. Ein mittlerer Lastbereich ist bspw. ein Lastbereich von ca. 20 % bis ca. 70 % der Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems im kontinuierlichen Betrieb. Ein unterer Lastbereich ist bspw. ein Lastbereich von ca. 0 % bis ca. 20 % der Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems im kontinuierlichen Betrieb. Als kontinuierlicher Betrieb wird hierbei der resultierende
Durchschnittslastbereich bzw. die Durchschnittsleistung angesehen , die die
Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellensystem über einen gewissen längeren Betrachtungszeitraum, z. B. die Dauer eines Streckenabschnitts (z.B. Bergfahrt, Stau) im Schnitt erbringen muss.
Geringe Kühlleistungen sind beispielsweise Kühlleistungen von ca. 0 % bis ca. 30 % der maximalen Kühlleistung, die Kühlkreislauf der Brennstoffzelle bzw. dem
Brennstoffzellenstapel bereitstellen kann.
Wird bspw. als externer Parameter P ext eine längere Bergfahrt erfasst, so kann dies dazu führen, dass basierend auf Erfahrungswerten, als potenzieller Betriebsparameter P Bz pot eine potenzielle Brennstoffzellentemperatur prognostiziert wird, die oberhalb der zulässigen Temperatur liegt. Denn bei einer längeren Bergfahrt wird die Brennstoffzelle in der Regel im oberen Lastbereich betrieben. Zusätzlich erzielt der Kühlkreislauf oft wegen der verringerten Fahrgeschwindigkeit nur eine geringe Kühlleistung. In einem solchen Fall wird die Steuerung bereits vor Beginn der Bergfahrt die aktuelle Soll- Betriebstemperatur der Brennstoffzelle herabsenken, sofern die aktuellen
Betriebsparameter es zulassen. Dazu kann die Steuerung beispielsweise i n einen anderen Betriebsmodus wechseln. Wird die Brennstoffzelle bspw. vor der Bergfahrt im Teillastbereich betrieben , so kann das Kühlsystem leichter überproportional viel Kühlleistung bereitstellen. Diese zusätzliche Kühlleistung, die für den augenblicklichen Teillastbetrieb nicht benötigt wird, kann aufgrund der Wärmekapazität des Kühlmittels und der Komponenten selbst im Kühlsystem zwischengespeichert werden. Während der Bergfahrt kann diese zwischengespeicherte Kühlleistung sukzessive an die Brennstoffzelle abgegeben werden. Gegebenenfalls kann es auch sinnvoll sein, dann schon vorzukühlen, wenn die prognostizierte Betriebstemperatur der Brennstoffzelle nicht im kritischen Bereich, aber oberhalb eines gewissen Schwellwertes liegt, z.B. oberhalb von 90% der maximalen Betriebstemperatur.
In ähnlicher Weise kann auch Systemfeuchte in der Brennstoffzelle
zwischengespeichert werden. Wird bspw. als externer Parameter wiederum eine bevorstehende längere Bergfahrt (d.h. oberer Lastbereich, geringe Kühlleistung) erfasst, so kann die Steuerung bspw. einen zu niedrigen Feuchtegehalt der
Brennstoffzelle prognostizieren. Um ein Austrocknen der Brennstoffzelle während der bevorstehenden Bergfahrt zu vermeiden, kann bereits vor Beginn der Bergfahrt mehr Feuchtigkeit in die Brennstoffzelle eingebracht werden. Dazu kann die Steuerung beispielsweise in einen anderen B etriebsmodus wechseln. Diese zusätzliche
Feuchtigkeit kann bspw. in der Elektrode-Membran-Einheit (MEA) zwischengespeichert werden. Während der Bergfahrt wird diese zwischengespeicherte Feuchtigkeit sukzessiv verbraucht. Ein Austrocknen kann zumindest verzögert werden. In ähnlicher Weise kann vor einem erwarteten Volllastevent (z.B. Bergfahrt) Stickstoff abgereichert und Brennstoff und Oxidationsmittel angereichert werden. Eine solche
vorausschauende Betriebsweise ermöglicht einen optimierten Betrieb der
Brennstoffzelle, insbesondere dadurch, dass die Brennstoffzelle bzw. das
Brennstoffzellensystem selbst als Zwischenspeicher fungiert.
Das Verfahren zum prädiktiven Betrieb der Brennstoffzelle kann ferner verschiedene Betriebsmodi vorsehen. Zumindest zwei Betriebsmodi können sich in zumindest einer Kennlinie für einen Soll-Betriebsparameter P unterscheiden. Beispielsweise können die beiden Betriebsmodi unterschiedliche Kennlinien für die Soll- Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aufweisen. Die verschiedenen Betriebsmodi können für verschiedene aktuelle und/oder prognostizierte Lastbereiche und verschiedene aktuelle und/oder prognostizierte Dynamikanforderungen vorgesehen sein. Der Betriebsmodus der Brennstoffzelle kann beispielsweise in Abhängigkeit von der von der Brennstoffzelle bzw. von dem Brennstoffzellensystem abzugebenden aktuellen und/ oder prognostizierten Durchschnittsleistung und der aktuellen und/oder prognostizierten Dynamikanforderung ausgewählt werden. Es können also - basierend auf Erfahrungswerten und/oder theoretischen Überlegungen - beispielsweise verschiedene Kennlinien für die Soll-Betriebstemperatur vorgesehen sein:
beispielsweise eine Kennlinie für den unteren Lastbereich bei geringer Dynamikanforderung und eine Kennlinie für den oberen Lastbereich und hoher Dynamikanforderung.
Bei einem prognostizierten Betrieb im unteren Lastbereich der Brennstoffzelle kann der Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle und/oder diese Soll-Brennstoff-Partialdruck an der Anode verringert werden. Bei einem prognostizierten Betrieb im unteren
Lastbereich der Brennstoffzellen kann die Soll-Temperatur der Brennstoffzelle und/oder der maximale Stickstoff-Partialdruck an der Anode erhöht werden.
Gewisse Lastbereiche, wie beispielsweise der untere Lastbereich bei prognostizierten, niedrigen Außentemperaturen können auch ganz vermieden werden beispielsweise durch eine entsprechende Hybridisierung, d.h. durch Anpassen des Verhältnisses von (Soll-)Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems zu (Soll-)Leistung des Hochvoltspeichers.
Aufgrund der verringerten Kinetik bereitet besonders der Kalt- bzw. Froststart von Brennstoffzellen Probleme. Es werden dabei möglichst kurze Aufwärmphasen angestrebt, um das Brennstoffzellensystem in einen einsatzbereiten Zustand zu bringen. Die Anlaufzeit bzw. Aufwärmzeit verkürzt sich, wenn der Feuchtegehalt der Brennstoffzelle während des Kalt- bzw. Froststarts gering ist. Der Feuchtegehalt kann bspw. dadurch verringert werden, dass nach dem Abschalten der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems die Oxidationsfluidfördereinrichtun g (in der Regel ein Kompressor) für eine gewisse Zeitspanne weiter betrieben wird, um der Brennstoffzelle Feuchtigkeit zu entziehen. Dieser Vorgang wird auch als Nachlauf oder Blow Down bezeichnet.
Ein Soll-Betriebspara meter kann der Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle sein. Bevorzugt wird der Soll-Feuchtegehalt kurz vor dem prognostizierten Fahrtende verringert. Stellt die Steuerung also fest, dass demnächst das Fahrtende erreicht wird , so kann die Steuerung ein Verfahren in Gang setzen, bei dem bereits vor dem
Fahrtende der Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle verringert wird, insbesondere wenn davon auszugehen ist, dass ein Frost- bzw. Kaltstart demnächst folgen wird. Vorteilhaft kann somit der Nachlauf zumindest reduziert werden oder sogar ganz entfallen. Hierdurch kann der Energieverbrauch insgesamt reduziert werden. Ferner werden etwaige Geräusche missionen am Abstellungsort, bspw. in der Garage des Besitzers, reduziert. Beispielsweise kann mit der Verringerung des Soll-Feuchtegehalt 20 min, bevorzugt 10 min, besonders bevorzugt 5 min vor Fahrtende begonnen werden. Durch diese prädiktive Steuerung wird ein Trocknungsbedarf nach Abstellen des Fahrzeugs (Blow Down) verringert und/oder vermieden. Sowohl die Länge als auch der Soll-Feuchtegehalt können je nach Umgebungsbed ingungen variiert werden.
Vorteilhaft kann der Soll-Feuchtegehalt und/oder die Dauer eines solchen Blow Downs unter Berücksichtigung des prognostizierten Abstellungsorts der Brennstoffzelle und/oder der prognostizierten Umgebungstemperatur angepasst werden.
Beispielsweise kann in einer Garage mit Ladestation über das ganze Jahr eine
Raumtemperatur oberhalb einer kritischen Temperatur bereitgestellt werden, bei der keine längeren Anlaufzeiten der Brennstoffzelle auftreten. Wird das Fahrzeug indes im Gebirge abgestellt, muss vielleicht sogar auch im Frühjahr oder im Herbst der Soll- Feuchtegehalt verringert werden, um vertretbare Anlaufzeiten der Brennstoffzelle beim nächsten Start zu ermöglichen. Sofern an einem Abstellungsort mit Ladestation (Garage) auch Temperaturen auftreten, die für den Kalt- bzw. Froststart kritisch sein könnten, so kann ebenfalls auf einen Blow Down während der Fahrt verzichtet werden, wenn als prognostizierter Abstellungsort die Garage ermittelt wurde. Der Blow Down kann dann im abgestellten Zustand des Fahrzeugs erfolgen, wenn es an der
Ladestation angeschlossen ist.
Die offenbarte Technologie umfasst ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb eines
Kraftfahrzeuges. Das Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges kann das
Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzelle umfassen.
Das bzw. ein hier offenbartes Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges kann ferner den Schritt umfassen: Anpassen von mindestens einem Soll-Betriebsparameter P HV SOII eines Hochvoltspeichers in Abhängigkeit von dem mindestens einen externen
Parameter P ext- Insbesondere kann das Nachladen des Hochvoltspeichers in
Abhängigkeit von de m mindestens einen externen Parameter Pext erfolgen.
Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug vor Erreichen eines Abstellungsortes mit Ladestation (z.B. Garage) die Hochvoltbatterie bei niedrigem Ladezustand nicht weiter aus dem Brennstoffzellensystem aufladen. Stattdessen kann der Hochvoltspeicher dann über die Ladestation wieder aufgeladen werden.
Die Steuerung des Kraftfahrzeuges kann in der Lage sein, die Hybridisierung von Hochvoltspeicher und Brennstoffzelle in Abhängigkeit von dem mit mindestens einen externen Parameter P ext zu regeln bzw. zu steuern. Wird bspw. als externer Parameter ein bevorstehender Stau erfasst, so kann die Brennstoffzelle abgeschaltet werden und die Hochvolt batterie betreibt den E-Motor alleine. Das (Hybridisierungs-)Verhältnis von Leistung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems, die dem Antriebsmotor des Kraftfahrzeug bereitgestellt wird zu der Leistung des Hochvoltspeichers, die dem Antriebsmotor des Kraftfahrzeug bereitgestellt wird, kann in Abhängigkeit von dem mindestens einen externen Parameter P ext angepasst werden.
Bevorzugt wird das Verhältnis von Leistung der Brennstoffzelle bzw. des
Brennstoffzellensystems zur Leistung des Hochvoltspeichers in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Brennstoffzelle angepasst. Wird beispielsweise eine„Stop-and-go" Verkehrssituation prognostiziert, bei der der Fahrer in der Regel das Fahrzeug im unteren Lastbereich bei hoher Dynamik betreibt, kann beispielsweise ein Betrieb lediglich mit der Hochvoltbatterie vorgesehen sein. Auch bei einem Stau (d.h. unterer Lastbereich; geringe Dynamik) kann die Brennstoffzelle abgeschaltet sein.
Ferner kann das Verhältnis von Soll-Leistung der Brennstoffzelle zu Soll-Leistung des Hochvoltspeichers in Abhängigkeit vom (prognostizierten) Abstellungsort des
Kraftfahrzeuges angepasst werden. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug vor Erreichen eines Abstellungsortes mit Ladestation (z.B. Garage) den Antriebsmotor des Fahrzeugs ausschließlich aus dem Hochvoltspeicher mit Energie versorgen, sofern der Ladezustand des Hochvoltspeichers dies zulässt. Anschließend kann der
Hochvoltspeicher dann über die Ladestation wieder aufgeladen werden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Verbrauchsreduzierung und/oder Abschaltung von mindestens einem Energieverbraucher, insbesondere eines
Energieverbrauc hers, der nicht für den Antrieb des Fahrzeugs relevant ist. Wird bspw. detektiert, dass die nächste Tankstelle nicht erreicht werden kann, so kann die Steuerung des Fahrzeugs als Notfallmodus die für den Fahrbetrieb nicht relevanten Nebenverbrauche r abschalten bzw. deren Verbrauch reduzieren. Vorteilhaft kann dies einher gehen mit einer entsprechenden Information an den Fahrer.
Bevorzugt ist der mindestens eine Energieverbraucher die Innenraumkonditionierung (Innenraumtrockung, Innenraumkühlung, etc.) des Fahrzeugs. Bei einem
prognostizierten Betrieb im oberen Lastbereich kann bereits vor dem Betrieb im oberen Lastbereich die Innenraumkühlleistung reduziert oder abgeschaltet werden. Vorteilhaft kann dann der mindestens einen Brennstoffzelle mehr Kühlleistung zugeführt werden, die dann bspw. im Kühlkreislauf zwischengespeichert wird.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren näher beschrieben, wobei
Fig. 1 schematisch eine Übersicht über verschiedene Betriebsmodi gibt; und Fig. 2 exemplarisch einen vereinfachten Ausschnitt aus einem mehrdimensionalen Betriebskennfeld einer Brennstoffzelle zeigt.
Fig. 1 zeigt verschiedene Betriebsmodi einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit vom Lastbereich und der Dynamikanforderung an die Brennstoffzelle.
M100 ist ein Betriebsmodus für einen unteren Lastbereich und einer unteren
Dynamikanforderung, wie sie beispielsweise im Stadtverkehr bei gleichförmiger Fahrweise auftritt. Der Fahrer kann beispielsweise auch über den Fahrerlebnisschalter einen umweit schonenden ECO-Modus des Kraftfahrzeuges vorgewählt haben, bei dem hohe Dynamikanforderungen von der Steuerung abgefedert bzw. unterbunden werden. In diesem Betriebsmodus ist es erwünscht, dass die Brennstoffzelle tendenziell bei höheren Temperaturen betrieben wird, da die Brennstoffzelle bei höheren
Temperaturen effizienter arbeitet. Die Temperaturkennlinie weist also tendenziell höhere Temperaturen aus als die Temperaturkennlinien anderer Betriebsmodi. Dies ist möglich, da starke Tem peratu ränderungen der Brennstoffzelle aufgrund der geringen Dynamikanforderungen nicht zu erwarten sind. Ferner ist die beim dauerhaften Betrieb im unteren Lastbereich resultierende du rchschnittliche Betriebstemperatur der Brennstoffzelle genügend weit entfernt von etwaigen Temperaturen, die für den Betrieb der Brennstoffzelle kritisch wären.
Die Brennstoffzelle wird im unteren Teillastbereich betrieben, bei dem die
Stickstoffanreicherungen noch nicht stark ins Gewicht fallen. Daher ist es zulässig, in diesem Betriebsmodus vergleichsweise hohe Stickstoffwerte zuzulassen. Mit anderen Worten sind vergleichsweise hohe Kennlinien für den maximalen Stickstoff-Partialdruck im Betriebsmodus M100 vorgesehen. Somit lässt sich vorteilhaft der
Brennstoffmittelverbrauch senken. Die erhöhte Rezirkulation wirkt sich zudem positiv auf die Wasserbilanz der Brennstoffzelle aus. Hinsichtlich des Feuchtegehaltes wird im Betriebsmodus M100 ein relativ hoher Feuchtegehalt angestrebt, bei dem jedoch die Bildung von Flüssigwasser in der Brennstoffzelle noch sicher vermieden werden kann .
Im Betriebsmodus M200 werden das Kraftfahrzeug und die Brennstoffzelle im oberen Lastbereich kontinuierlich betrieben . Hier wird beispielsweise eine Autobahnfahrt angenommen. Die Dynamikanforderung ist in diesem Betriebsmodus gering.
Beispielsweise wird das Fahrzeug m it einem Tempomat immer auf eine konstante Geschwindigkeit gehalten. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist in diesem Lastbereich im Vergleich zum Betriebsmodus M100 schon näher an der maximalen Temperatur der Brennstoffzelle. Da starke Veränderungen der Betriebstemperatur nicht zu befürchten sind, kann eine Schädigung der Brennstoffzelle auch im
Betriebsmodus M200 ausgeschlossen werden. Die Grenze für den maximalen
Stickstoffgehalt in der Anode kann auch beim Betriebsmodus M200 vergleichsweise hoch sein, was die vorgenannten Vorteile mit sich bringt.
M300 bezeichnet einen Betriebsmodus, bei dem im unteren Lastbereich eine hohe Dynamikanforderung auftritt. Beispielsweise tritt dies im Stadtverkehr auf, wenn der Fahrer eine sportliche Fahrweise mit vielen Lastsprüngen an den Tag legt. In diesem Modus kann beispielswei se das Wassermanagement der Brennstoffzelle im Vergleich zu den anderen Betriebsparametern eher kritisch sein. Die Temperatur und der Stickstoff-Partialdruck in der Anode sind in der Regel nicht kritisch. Die Bildung von Flüssigwasser sollte hier vermieden werden, beispielsweise durch eine entsprechende Lambda-Regelung, d.h. die Regelung der zugeführten Oxidationsmittelmenge zur tatsächlich benötigten Oxidationsmittelmenge. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Betriebstemperatur der Brennstoffzeile erhöht werde, wodurch der Feuchtegehalt sinkt.
Fährt der Fahrer mit dem Kraftfahrzeug auf der Autobahn mit vielen Lastsprüngen (d.h. sportliche Fahrweise) oder wird eine solche Fahrt prognostiziert, so wechselt die Steuerung M400 in den Betriebsmodus M400. Im oberen Lastbereich stellen sich gewöhnlich hohe Bet riebstempe ratu ren ein. Ferner sind Temperaturänderungen aufgrund von Lastsprüngen möglich. Beim Betriebsmodus M400 sind daher vergleichsweise niedrige Temperaturkennlinien vorgesehen. Gleichsam können vergleichsweise niedrige Kennlinien für den maximalen Stickstoff-Partialdruck implementiert sein, was sich positiv auf die Leistung der Brennstoffzelle auswirken kann. Die Feuchtegehalt-Kennlinie weist im Vergleich zu den entsprechenden
Kennlinien anderer Betriebsmodi hohe Werte aus. Dadurch kann ein Austrocknen der MEA zumindest verzögert werden.
Generell sollte die Steuerung ausgebildet sein, bei einem prognostizierten
Feuchtegehalt über einem ersten Feuchtegehalt-Schwellwert die Temperatur und/oder den Feuchtegehalt der Brennstoffzelle zu verringern. Umgekehrt sollte die Steuerung den Feuchtegehalt erhöhen, wenn ein Austrocknen der Brennstoffzelle prognostiziert wird, insbesondere im Betriebsmodus M400.
Der Betriebsmodus M500 stellt einen Betrieb mit mittlerer Dynamikanforderung im mittleren Lastbereich dar. Die hier eingestellten Kennlinienverläufe werden ebenfalls ausgewählt, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle keinem der vorgenannten
Betriebsmodi eindeutig zugeordnet werden kann. Diese Kennlinien sind dahingehend optimiert, dass sich für alle Lastbereiche und alle Dynamikanforderungen einsetzbar sind.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt über den Verlauf der Temperaturkennlinie für verschiedene Betriebsmodi über die instantane Leistung. Zu unterscheiden ist die geforderte instantane Soll-Leistung, die beispielsweise von der augenblicklichen Steigung und der Gaspedalstellung abhängt , vom zuvor diskutierten kontinuierlichen unteren , mittleren und oberen Lastbereich. Eine im oberen Lastbereich betriebene Brennstoffzelle kann beispielsweise für einen Augenblick eine mittlere instantane Soll- Leistung aufweisen, beispielsweise, wenn ein LKW auf der Autobahn einen anderen LKW überholt. Für eine bestimmte instantane Leistung Px kann im Betriebsmodus M400 beispielsweise ein niedriger Temperatur-Kennlinienwert vorgesehen sein als im Betriebsmodus M500. Gleichsam kann für den Betriebsmodus M100 ein
vergleichsweise hoher Temperatur-Kennlinienwert vorgesehen sein.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegende n Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzelle, mit den Schritten:
- Erfassen von mindestens einem externen Parameter (P ext),
wobei der mindestens eine externe Parameter (P ext) eine
Fahrverhalten sinformation, eine Navigationsinformation und/oder eine Umgebungsinformation repräsentiert; und
- Anpassen von mindestens einem aktuellen Soll- Betriebsparameter (P Bz soii) der Brennstoffzelle basierend
auf dem mindestens einen externen Parameter (P ext).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein Soll-Betriebsparameter (P BZ soii) der Soll- Feuchtegehalt der Brennstoffzelle ist, und wobei der Soll-Feuchtegehalt vor dem Fahrtende verringert wird.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Soll-Feuchtegehalt unter Berücksichtigung des Abstellungsorts der Brennstoffzelle angepasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei vor dem Fahrtende der Soll- Feuchtegehalt der Brennstoffzelle verringert wird, wenn davon auszugehen ist, dass ein Frost- bzw. Kaltstart folgen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei der Soll-Feuchtegehalt und/oder die Dauer der Verringerung unter Berücksichtigung des prognostizierten Abstellungsorts der Brennstoffzelle und/oder der prognostizierten
Umgebungstemperatur angepasst wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Änderung des mindestens einen Soll-Betriebsparameters (P ) auf dem Lastbereich und der Dynamikanforderung basiert.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle und/oder ein die Brennstoffzelle umfassendes Brennstoffzellensystem selbst als Zwischenspeicher für Feuchtigkeit, Kühlleistung zur vorrausschauenden Betriebsweise der Brennstoffzelle fungiert.
8. Verfahren nach Anspruch 8, wobei vor Betrieb der Brennstoffzeile im oberen Lastbereich, insbesondere vor einer Bergfahrt,
die Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle herabsenkt und/oder zusätzliche für den augenblicklichen Betrieb nicht erforderliche Kühlleistung bereitgestellt wird, die in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems
zwischengespeichert ist, und/oder
zusätzliche für den augenblicklichen Betrieb nicht erforderliche Feuchtigkeit in die Brennstoffzelle eingebracht wird, die in der Brennstoffzelle
zwischengespeic hert wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei einem
prognostizierten Betrieb im oberen Lastbereich der Brennstoffzelle
die Soll-Temperatur der Brennstoffzelle und/oder der maximale
Stickstoff-Partialdruck an der Anode verringert wird/werden, und/oder der Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle und/oder der Soll-Brennstoff- Partialdruck an der Anode erhöht wird/werden , und/oder wobei bei einem prognostizierten Betrieb im unteren Lastbereich der
Brennstoffzellen die Soll-Temperatur der Brennstoffzelle und/oder der maximale
Stickstoff-Partialdruck an der Anode erhöht wird/werden, und/oder der Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle und/oder der Soll-Brennstoff- Partialdruck an der Anode verringert wird/werden.
1 0. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zum prädiktiven
Betrieb der Brennstoffzelle verschiedene Betriebsmodi vorgesehen sind, wobei sich zumindest zwei Betriebsmodi in zumindest einer Kennlinie für mindestens einen Soll-Betriebsparameter (P Bz soii) unterscheiden, und
wobei die verschiedenen Betriebsmodi für verschiedene Lastbereiche und verschiedene Dynamikanforderungen vorgesehen sind, und wobei der Betriebsmodus der Brennstoffzelle in Abhängigkeit vom Lastbereich und der Dynamikanforderung ausgewählt wird.
1 1 . Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges, umfassend das Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzeile (10) nach einem der vorangegan genen Ansprüche.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , umfassend den Schritt: Anpassen des Verhältnisses von Soll-Leistung der Brennstoffzelle zu Soll-Leistung eines Hochvoltspeichers in Abhängigkeit von dem mindestens einen externen Parameter (P ext).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis von Soll-Leistung der Brennstoffzelle zu Soll-Leistung des Hochvoltspeichers in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Brennstoffzelle und/oder vom Abstellungsort angepasst wird.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend den Schritt:
Verbrauchs reduzierung und/oder Abschaltung von mindestens einem Energieverbraucher.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein Energieverbraucher die
Innenraumkonditionierung des Fahrzeugs ist, und wobei bei einem prognostizierten Betrieb im oberen Lastbereich bereits vor dem Betrieb im oberen Lastbereich die Leistung der Innenraumkonditionierung reduziert oder abgeschaltet wird, so dass der mindestens einen Brennstoffzelle mehr Kühlleistung zugeführt werden kann .
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